Fyzika toho, proč horká voda někdy zamrzne rychleji než studená

Příběh vypráví, že v roce 1963 tanzanský středoškolák Erasto Mpemba vyráběl se svou třídou zmrzlinu, když netrpělivě vložil směs cukru a mléka do zmrzlinovače, když byla ještě horká, místo aby ji nejprve nechal vychladnout. K jeho překvapení se cukrovinka zchladila rychleji než cukrovinka jeho spolužáků.

S pomocí profesora fyziky provedl Mpemba další pokusy: do mrazáku vložil dvě sklenice vody, jednu právě uvařenou a druhou teplou, a sledoval, která z nich dosáhne mrazivé mety jako první. Často jako první zmrzla voda s vyšší počáteční teplotou. Jejich pozorování odstartovalo desítky let trvající diskusi o existenci a podrobnostech tohoto neintuitivního jevu, který se nyní nazývá Mpembův efekt.

Nový výzkum zveřejněný 5. srpna v časopise Nature nejenže ukazuje, že Mpembův efekt skutečně existuje, ale také osvětluje, jak k němu dochází, uvádí Emily Conoverová pro Science News.

Namísto experimentování se zamrzající vodou, jejíž studium je překvapivě složité, zaměřili fyzikové Avinash Kumar a John Bechhofer z Univerzity Simona Frasera svůj pohled – a laser – na mikroskopické skleněné kuličky. Měřili, jak se skleněné kuličky pohybují za velmi specifických podmínek ve vodě, a zjistili, že za určitých okolností se kuličky, které začínaly velmi horké, ochlazovaly rychleji než ty, které horké nebyly.

„Je to jedno z těchto velmi jednoduchých uspořádání a už je dostatečně bohaté na to, aby tento efekt ukázalo.“ Science News teoretická fyzička z University of Virginia Marija Vucelja. Experiment také naznačuje, že by se tento efekt mohl projevit i u jiných materiálů, než je voda a skleněné kuličky. Vucelja říká: „Dovedu si představit, že se tento efekt objevuje zcela obecně v přírodě i jinde, jen jsme mu dosud nevěnovali pozornost.“

Jestliže je bod tuhnutí cílovou rovinkou, pak je počáteční teplota něco jako startovní bod. Dávalo by tedy smysl, kdyby nižší počáteční teplota, s menší vzdáleností k cíli, k němu vždy dorazila jako první. Při Mpembově efektu někdy dosáhne cíle jako první teplejší voda.

Ale je to složitější. Za prvé, do vody jsou obvykle přimíchány další látky, například minerály. A fyzikové se neshodli na tom, co přesně je cílová čára: je to okamžik, kdy voda v nádobě dosáhne teploty tuhnutí, začne tuhnout, nebo zcela ztuhne? Tyto detaily ztěžují přímé studium tohoto jevu, píše Anna Demmingová pro Physics World.

Nový experiment odstraňuje detaily, které činí Mpembův jev tak nejasným. Při každém testu vhodili jednu mikroskopickou skleněnou kuličku do malé jamky s vodou. Tam na kuličku působili řízenými silami pomocí laseru a měřili její teplotu, uvádí Science News. Test opakovali více než tisíckrát, přičemž vhazovali kuličky do různých jamek a začínali při různých teplotách.

Při působení určitých sil laseru se nejteplejší kuličky ochlazovaly rychleji než kuličky s nižší teplotou. Výzkum naznačuje, že delší cesta od vyšší teploty k bodu tuhnutí může vytvářet zkratky, takže teplota horké kuličky může dosáhnout cíle dříve než chladnější kulička.

Bechhoefer pro Physics World popisuje experimentální systém jako „abstraktní“ a „téměř geometrický“ způsob, jak si představit Mpembův efekt. Pomocí tohoto systému však spolu s Kumarem identifikovali optimální „počáteční teploty“ pro Mpembův chladicí efekt.

„Tak nějak to naznačuje, že všechny zvláštnosti vody a ledu – všechny věci, kvůli kterým se původní efekt tak těžko studoval – by mohly být svým způsobem okrajové,“ říká Bechhoefer v rozhovoru pro Physics World.